很多人都看過楓葉的種子從空中旋轉着降落到地面上，這種會隨風漂浮的植物種子給了工程師很大的啟發。他們模仿着製造出飛翼結構，添加到微晶片上，由此製造出了有史以來最小的飛行器，只有沙粒大小。這么小的會飛的微晶片可以用來做什麼呢？研究人員開了個巨大的腦洞……
春天結束的時候，楓樹開始釋放長有翅膀的種子，這些種子從樹枝上飛舞下來，輕輕地落在地面上。通過這種風媒種子，原本定居的植物可以實現遠距離繁殖，在廣闊的地區擴散開來。這種會隨風漂浮的植物種子給了工程師很大的啟發，他們仿照着製作出有史以來最小的靠風力傳播的機器，稱之為「微型飛行器」。
微型飛行器由兩部分組成：毫米尺寸的晶片以及飛翼。當微型飛行器從空中釋放後，飛翼與空氣摩擦，使整體緩慢而穩定地旋轉起來，就像風媒種子一樣緩緩降落。晶片位於微型飛行器中心較低的位置，以防止飛行器在風中失控，凌亂地滾落到地面。
這些微型飛行器中最大的型號大約有兩毫米長，和果蠅的大小差不多；最小的型號則只有前者的四分之一大小。它們小到可以像種子一樣隨風漂浮，不過其空間仍足以裝載微型晶片。晶片上裝有傳感器和無線發射器，可以收集周圍環境的信息，並將數據發送給科學家。
美國西北大學的物理化學家約翰·羅傑斯（John Rogers）說，將成群的微型飛行器從空中撒落，它們會乘風飄散到廣闊的地區，然後科學家就可以將它們組成傳感器網絡來監測環境污染、疾病傳播、生物危害等情況，並將數據繪製成地圖。羅傑斯和同事們最近在《自然》雜誌發表的一篇論文描述了這種機器。
風媒種子的啟發
根據降落時周圍氣流的運動特徵，研究人員把風媒種子的形狀分成了四類：降落傘形，如蒲公英的種子；滑翔機形，如翅葫蘆（Alsomitra macrocarpa）的種子；撲翼或飛旋形（flutterers/spinner），如毛泡桐（Paulownia tomentosa）和臭椿（Ailanthus altissima）的種子；直升機槳形，如梣葉槭（Acer negundo），以及三星果屬（Tristellateia）的幾種木質藤本植物的種子。
研究人員參考這些種子的形狀，設計出多種飛翼結構。其中一種飛翼有三個翅膀，優化後的形狀和翅膀間的角度與三星果種子的情況相似。為了確定最理想的結構，羅傑斯的團隊用計算機模擬出這些結構周圍的氣流特徵，並找到伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的機械工程副教授萊昂納多·查莫羅（Leonardo Chamorro）進行合作，在風洞實驗室中測試了這些微小飛行器，他們使用先進的成像技術將飛行器周圍的瞬時流量場可視化並定量測量。
一種型號的微型飛行器（右）的降落方式與三星果種子（左）相似（圖片來源：Northwestern University）
「我們認為我們戰勝了自然。」羅傑斯說，「至少從狹義上講，我們建造出的微型飛行器，比類似結構的風媒種子擁有更穩定的軌跡和更慢的落地速度。我們建造出的飛行器也比風媒種子要小得多，這一點很重要，因為設備小型化是電子行業的發展方向，工程師致力於將傳感器、無線電、電池和其他組件以更小尺寸製造出來。」
兒童立體書的啟發
為了用這些微型飛行器監測大範圍的區域，羅傑斯和他的同事們必須提高產量。如果能夠利用現有的設備和工藝來製造集成電路，這項任務就會容易得多。但這些生產方法主要生產平面結構，而微型飛行器的結構是三維的。為了解決這個問題，羅傑斯團隊從兒童立體書中獲取了靈感。他們先製作出二維飛翼，然後將它們粘在一層叫做彈性體（elastomer）的可伸縮材料上。當這種材料放鬆時，它就會收縮，把飛翼拉扯成最終的三維結構。
二維的飛翼被彈性體拉扯成三維結構（圖片來源：Northwestern University）
「這種從二維前體開始構建三維結構的策略非常強大，因為所有現有的半導體器件都是在平面佈局中構建的。」羅傑斯說，「通過這種方式，我們可以利用消費電子行業使用的最先進的材料和製造方法來製作標準的類似晶片的扁平結構，然後通過可伸縮材料的拉伸就能轉換為三維飛翼結構。整個過程就像打開一本兒童立體書那樣。」
新奇的環境監測方法
加拿大麥吉爾大學的環境流行病學家斯科特·韋辰塔爾（Scott Weichenthal）沒有參與微型飛行器研究。他評價說，儘管這些設備很新穎，但它們是否真的有助於環境監測活動仍是個未知數。「這種飛行器的測量結果可靠嗎？」他問道，「在監測環境方面，它們比會我們現在做得更好嗎？現在還不清楚。」
羅傑斯承認，微型飛行器現階段只是一個概念驗證。但他和他的團隊計劃很快將進行實地測試。他們的目標是空投數千個微型飛行器，這些設備會根據其降落地點的鉛、鎘或汞含量改變顏色。隨後，一架無人機將從投放地點上空飛過，拍攝該地區的高解像度圖像。根據飛行器的變色情況，研究人員就能繪製該地區的污染物濃度圖。
當然，將使用過的微型機器丟棄在自然環境中似乎不太環保。為了避免對當地生態系統造成破壞，羅傑斯和他的同事用環保的聚合物、導體和電路晶片製作了微型飛行器，這些材料會隨時間降解。在收集和傳輸有關着陸區域的數據後，墜落的飛行器會分解成粘性物質，然後雨水被沖走。這對環境更友好，對研究人員也更方便。如羅傑斯所言：「我們可不想在監測結束後，還要把這些設備一個一個收集回來。」
參考來源：
https://www.eurekalert.org/news-releases/928741
https://www.scientificamerican.com/article/winged-microchips-glide-like-tree-seeds/
